10kVMW级电力电子变压器设计方案

10kVMW电力电子变压器(PET)在具有传统变压器变压和隔离等根本功能的同时,还具备功率灵敏可控和可进展无功补偿等优势.通过对电力电子变压器拓扑构造和功iokVMWAC/DCMMC,DC/DCLLCDC/DCAC/DCDC/DCPET式以及各局部的根本把握策略.所提出的设计方案可实现中压沟通、中压直流、低压直流以及低压沟通的多级变压、网络互联以及能量的多向流淌,有用性强,在中低压交直流配电网中具有确定典型性,对工程设计有重要指导意义.%Thepowerelectronictransformer(PET)hasthebasicfunctionsofvoltagetransformationandisolationastraditionaltransformers,besidesitenjoystheadvantagesofhighlyflexiblepowercontrolandreactivepowercompensationandsoon.BasedontheanalysisofthePETtopologyandfunctions,anewdesignschemeof10kVmwlevelPETorientedtomediumandlow-voltageac-dchybridsmartdistributiongridisproposed.TheMMCconverterisusedasAC/DCconverterathigh-voltageside,andtheDC/DCconverterconsistsofinput-seriesoutput-parallel(ISOP)LLCresonantfull-bridgeDC/DCconvertersmodules.TheproposeddesignschemeincludesthedesignofthemaincomponentsofAC/DCconverterandDC/DCconverter,andalsocontainstheoperationalmodeofPETbyusingapplicationscenariosandbasiccontrolstrategiesforvariouscomponents.MultilevelvoltagetransformationofmediumvoltageAC,mediumvoltageDC,lowvoltageDCandlowvoltageACcanberealizedintheproposeddesignscheme,what”smore,networkinterconnectionandmultidirectionalflowsofenergybecomepossible.Theproposeddesignschemehassometypicalcharacteristicsinthemediumandlow-voltageac-dchybridsmartdistributiongrid,whichhasimportantguidingsignificancetoengineeringdesign.《华北电力大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2023(044)003【总页数】8(P59-66)电力电子变压器;模块化多电平换流器;交直流混合配电网;设计方案刘欣和;吴金龙;辛德锋;冯宇鹏;王先为;姚为正【作者单位】710075;西安许继电力电710075;西安许继电力电子技术,陕西西安710075710075;西安许继电力电子技710075461000【正文语种】中文TM7216～35kV400V传统配电变压器具有牢靠性强、价格低廉等优点，但也存在以下缺点：(1)功能单一，可控性差；(2(3(4)铁芯饱和子变压器(PowerElectronicTransformer，PET)的概念受到了业界的关注[1-4]。电力电子变压器供给了宽阔的应用空间。电力电子变压器(有些学者也称之为固态变压器(Solid-StateTransformer，SST)或智能通用变压器(IntelligentUniversalTransformer，IUT)是由电力电子换流器1970AC-AC[5]以来，国内PET[6-8AC-DC-AC1换为高直流电压，通过中间带高频隔离变压器的DC/DC变换器变换为低直流电压，以供低压侧逆变器使用。PET，为了满足高压大功率的应用需求，比较AC/DCH(ModularMultilevelConverter，MMC)，通过模块化串并联技术，使电压等级和容量提升HMMC优势：(1)DC/DC(2)输出电压质量高、功率灵敏可控；(3)直流侧可直接输出直流电压等[9]MMCPET将来的中低压交直流混联智能配电网领域发挥重要作用。PET10kVMWPETPETPETPETAC/DC-DC/DC-(DC/AC2AC/DCMMCMMC接入中压直流配电网。MMC311N(sub-module，SM1本方案中桥臂子模块全部承受全桥式拓扑构造。DC/DC[10-12]的主要作用包括直流电压的凹凸压变换、电气隔离和能量双LLCDC/DC变换模块输入串联输出并联(input-seriesoutput-parallelISOP)组成，可实现能量双向流淌时开关器件的零电压开关(ZVS)和准零电流开关(ZCS)。直流低压侧配直流配电微网等。DC/AC沟通负载供电。PET3PET10kV网。通过该PET可实现中压沟通、中压直流、低压直流以及低压沟通的多级变压、网络互联以及能量的多向灵敏流淌，有用性强。系统参数PETMW级PET，1AC/DC空载调制度核算AC/DCMMCMMC0.8～0.8610.8164，满足功率把握的需求，且具备确定的裕量。桥臂电抗器设计MMC之外还需要在完成系统设计后对沟通电流纹波和故障电流上升率等进展校核。20%)可得到桥臂电抗设计初值：式中：EmLarm_sIn_peak为系统额定功率对应的阀侧峰值电流。依据式(1)50.9mH50mH。核算该值对应的额定500.8603，满足运行需求。换流阀设计电容参数和模块中的开关器件型号等。子模块个数设计：单个桥臂的子模块个数由子模块电压和总直流电压打算，需要结合实际IGBT规格考虑。另外，为了提高系统牢靠性，需要具有确定的冗余度。UdcMMCUsmkr冗余系数，子模块个数可由式(2)计算得到：IGBT1700V/150AIGBT850V1026换流阀电容容值的设计：子模块电容是MMC能量流淌的载体，在为换流器运行供给稳定直流电压的同时，模块电容电压也随着电流的充放电作用而波动。另外，模块电容在直流短路故障时MMC体积等方面的重要因素之一。因此电容的设计将直接影响 MMC的性能与经济性。子模块电容设计时主要考虑因素是子模块稳态电压波动限制，为保证换流器的稳定运行，子模块电容电压波动量必需限制在确定范围内。依据子模块电容容值、子模块电压与波动率、换流器功率、调制度和功率因数等因素之间的数学关系[13]，可以计算得到子模块电容容值的设计初值：式中：n；ξ10%；Usm压；Psk；cosφ1.25MVA0.9953，调0.8204，电压波动率取±10%，0.7234mF,将其1mF，此时子模块电压波动在额定有功输出时为±7.234%。沟通软启电阻设计计算得到：式中：UlinePdcklimit5%额定有功功率计62.5kW1.6kΩ，2kΩ。DC/DCDC/DCMLLC(Dualactivebridgeresonantconverter，DAB)输入串联输出并联组成。单个DAB拓扑如图4所示，IGBTQ1～Q4HM1，Q5～Q8HM2，Lr1Cr1LCLr2Cr2LCTRLmUiUoDABH50%的开环把握模式下。5UgsIGBTQ1～Q4驱动波形，UsIGBTQ1～Q4iDD5～D81055iLm(无功)、Lr1Cr1i1(有功)两局部，还将输出电压等效为一个恒定电压源,另外桥臂的死区时间也被放大。具体过程说明如下：(1)t0Q1、Q4、Q5、Q8Q1Q4imD1D4Q1Q4Q1Q4Lr1Cr1i1Lmt1(2)t1i1iLmD5D8Lr2Cr2D5D8t2D5D8t2Lr2Cr2t2t3i1iLm大到反向最大值。t3Q1Q4iLmD2D3IGBTQ2Q3结电容上的电压逐步减小，IGBTQ1Q4(5)t4IGBTQ2Q3Q2Q3t5Q2Q3DAB设计的核心是谐振网络的设计，为了保持变换器双向运行增益特性的全都性，Lr1=n2·Lr2、Cr2=n2·Cr1。，另一方面设计变压器Lr1Cr1Lr2Cr2fr1=fr2：DAB一般工作在谐振频率点四周，此时变换器具有较高的效率，传输能量的电流波形也近似正弦，可用基波重量法进展分析和设计[14]，即假设只有开关频率的基波重量才能传输能量，从而将变换器等效为一个线性网络来分析。等效电路如图6所示，Req[15]：6式中：Q；λkfkf=fs/frkf=1Lr1Cr1Lr2Cr21/n。n=17Q=1Mλ、kf8λ=0.1MQ、kf7，λλλ8，Q0.25四周的增益最平滑。结合上述分析，DC/DC为了削减高频变压器的数量，DABIGBT3300V2000V，变换器的级数M20kV/2000V=10MMCMMC0.5mF；低压侧电容主要考虑电压纹波的要求，在一个高频开2%，计算并经过调整后得到低压2.6mF。5kHzn=2000V∶700V=2.86∶1；(4kf1，Q=0.25，λ=0.05，依据式(5)～(10Cr1=5uF，Lr1=203uH，Lm=4.06mH，Cr2=40.8uF，Lr2=24.87uH。DC/AC工作模式设计PET口，可分别接入中低压沟通、中低压直流系统中。结合具体应用场景，设计PET主要工作模式如下：直流稳压模式：MMCDC/DCPET功率调度模式：直流高压侧接入中压直流配网直接稳定直流电压，或直流低压DC/DCMMC模式，准确把握交直流系统间的功率流淌。PETPETDC/DCMMC电压把握模式，为孤岛网络供给稳定的沟通电压。MMCPETMMC依据沟通电网的状况协作输出确定的无功功率。MMC9MMCdq构造具有快速的响应力气和内在的限流力气。MMCPETdqMMCMMC损耗，需设计环流抑制把握器[16]。调制方面，MMC(NLM)和载波移相法，考虑到20，可选用更适用多子模块数的最近电平调制法，并均衡。DC/DCPETDC/DC50%的开环把握方式即可实现5kHz。在谐振频率四周变换器等效内阻很ISOP侧电容电压的自动均衡，不需要额外的均压把握。低压侧逆变器把握PET网间的潮流，具体把握细节不再赘述。Matlab/Simulink10kV/1.25MWPET述。10PETPET0.5s0.7sPETMMCDC/DC变换器的把握下快速回到额定值。11PETPETDC/DCPETMMC0.5s01s反向额定，功率响应动态性能好，稳态精度高。12PET0.2～0.5sMMC0.5s孤岛网络投入了额定负载，实现了由直流配电网向沟通系统的反向供电。由仿真结果可以看出，PET计方案具有可行性。AC/DC-DC/DC-DC/ACPETAC/DCMMCPETPETPETMMCPETPET合配电网用变压器的使用需求，具备工程设计指导价值。【相关文献】徐政，陈海荣．电压源换流器型直流输电技术综述[J]．高电压技术，2023，33(1)：1-10．张文亮，汤广福，查鲲鹏，等．先进电力电子技术在智能电网中的应用[J]．中国电机工程学报，2023，30(4)：1-7．KANGMoonshilk，ENJETIPrasadN，PITELIraJ．AnalysisandDesignofElectronicTransformersforElectricPowerDistributionSystem[J]．IEEETransactionsonPowerElectronics，1999，14(6)：1133-1141．杨丽徙，曾梅，刘蓉．变电站电气一次设备智能化问题的争论综述[J]．高压电器，2023，48(9)：99-103．晏阳．电力电子变压器理论争论综述[J]．电工电气，2023，(3)：5-8．朱英浩．配电变压器的进展趋势[J]．电工技术杂志，2023(3)：1-6．DC/DC[J].中国电机工程202334(S)218-224.刘海波，毛承雄，陆继明，等．电子电力变压器储能系统及其最优把握[J]．电工技术学报，2023，25(3)：54-60．李子欣，王平，楚遵方，等．面对中高压智能配电网的电力电子变压器争论[J]．电网技术，2023，37(9)：2592-2601．LLC[J]2023,48(6)51-52.LLC[J].中国电机工程202335(2)451-457.LLC[J].中国电机工程学报,2023,33(18)48-56.王姗姗，周孝信，汤广福，等．模块化多电平HVDC输电系统子模块电容值的选取和计算[J]．电网技术，2023，35(1)：26-32．LUB，LIUWD，LIANGY，etal．O